掘進機機載錨桿機的設計與總體參數確定

李爭春

摘 要：針對掘進機機載錨桿機，分析了錨桿機機構設計的設計原則，闡述了錨桿鉆機破巖機理，確定了鉆機的總體性能參數，為設計提供理論支持。

關鍵詞：錨桿鉆機 結構設計 總體參數

中圖分類號：TH2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）02（c）-0-02

掘進機機載錨桿鉆機掘進機和錨桿鉆機的聯合體，使掘進機具有錨孔功能，并且鉆孔范圍更廣，效率更高，掘進機在向前掘進后，可以立即利用自身的支護系統進行錨桿支護，解決了掘進機切割與巷道支護之間時間跨度較大的瓶頸，極大地提高了進給速度。操縱者在臨時支護條件下作業，提高了安全性。因此機載錨桿機在我國應用前景廣闊，尤其是對于現代化高產高效

礦井[1]。

1 機載錨桿鉆機機構設計原則

根據掘錨機組的功能參數和巷道支護的工藝流程，機載式錨桿鉆機機構的設計應該保證以下原則[5]。

（1）液壓錨桿鉆機的適應性要強。

（2）掘進機與液壓錨桿鉆機應有良好的兼容性，功能獨立，不干涉。

（3）滿足掘進機移位一次錨孔、排錨桿孔的要求。

（4）液壓錨桿鉆機液壓系統簡單，且泵站不需要單獨設置。

（5）機組要求結構簡單、鉆孔深、機身矮、操作方便。

2 破巖機理

錨桿鉆機破巖時采用多刃切削鉆頭回轉切削巖石，在巖石上形成圓形巖孔。旋轉切削破巖要符合以下幾點要求[3]：鉆機具有一定的轉矩，以克服鉆頭切削阻力矩，有一定的輸出轉速，帶動鉆桿及鉆頭旋轉，具有一定的軸向推力，即對鉆頭施加一定的正壓力，實現鉆頭的進給。

3 工作參數的初選

液壓錨桿鉆機的主要參數是推力、轉速和扭矩，鉆頭直徑、一次成孔深度等。在工作中鉆機鉆孔速度的快慢主要取決于鉆機的輸出轉矩、轉速、推力的大小以及三者之間的匹配關系。液壓錨桿鉆機的鉆削特性就是鉆機在轉矩、推力、轉速作用下，鉆削破巖的性能及適應負載的變化能力。下面分項說明旋轉式液壓錨桿鉆機的各種參數及相互間的關系[8-9]。

3.1 適用普氏系數

煤礦井巷頂板的普氏系數，多數為f=4～10，煤巖普氏系數f=1～4。

3.2 鉆頭直徑

常用的鉆頭直徑分為3種：28；32；42（mm）。

3.3 確定額定扭矩

鉆機旋轉切削破巖時，須克服切削阻力，轉矩隨巖石的抗壓強度增大而增大。因此，轉矩是保證鉆機鉆孔的基本性能參數。根據動力學關于作用力方向與運動方向一致的原理，鉆翼切削部分的軸向推力和圓周切向力的合力方向，應與鉆頭螺旋前進的方向一致，當勻速鉆進時，該合力的大小保持不變并與巖石阻力互相平衡。鉆翼切削部分對巖石的擠壓力均勻分布在受壓面上，這個均布力可用一集中力代替（圖1），其作用點通過受擠壓巖石面的中點A。

式（7）說明鉆頭每轉鉆進度與扭矩成正比而與鉆頭內外徑平方差及巖石抗壓強度的乘積成反比。這時馬達需要的轉矩：

煤礦巷道中錨桿鉆機每鉆鉆進量極限為16 mm左右，這里取=16 mm，煤礦巷道巖石最大普氏硬度取8，那么巖石的抗壓強度為80 MPa，鉆頭外徑=32 mm，鉆頭內徑=6 mm，計算后得馬達轉矩M=160 N·m，考慮到煤礦巷道中巖石硬度不統一等原因，最后取M=180 N·m。

3.4 轉速

錨桿鉆機鉆孔速度的快慢與鉆機的輸出轉速有著密切的關系。當功率和推力一定時，對于某一種巖石都有一個最優轉速。當轉速處于大于或小于最優轉速時，鉆進速度都不是最佳的。

鉆機的鉆進速度：

式中，—鉆進速度，mm/min；—鉆機的轉速，r/min。

當轉速低于最佳轉速時，如果保持其鉆進速度，意味著鉆頭每轉一圈的切削量加大，鉆頭的阻力加大，這樣無論是鉆頭還是鉆桿都會帶來很大的傷害；否則，鉆速將會降低。當轉速大于最優鉆速鉆削巖石時，這樣就會造成鉆削巖石時所產生的巖屑不能及時的清理掉，導致鉆頭對巖屑重復的破碎，從而會大大降低鉆進的進度。最佳轉速與巖石的堅固性系數f有關。當遇到硬巖石時，鉆孔轉速就要適當的減小，遇到較軟的巖石時鉆孔轉速便可加大些。在保證一定的轉矩條件下，適當提高轉速可以提高鉆進速度，但轉矩和轉速保持良好的匹配關系仍是提高鉆機鉆進速度的關鍵。選取馬達的最大轉速=400 r/min，鉆機的最大鉆速=7280 mm/min。

3.5 推力

旋轉切削破巖時，推力的大小可以決定鉆速的快慢，而且與比功（單位鉆削體積所耗功）有關，在這方面，前蘇聯學者阿里莫夫根據試驗把它們的關系用推力與鉆速和比功的關系曲線來說明，如圖2所示。根據巖石破碎學理論，鉆削破巖可分為以下四區：研磨區Ⅰ、研磨切削過渡區Ⅱ、切削區Ⅲ、阻塞區Ⅳ。在研磨區鉆速與推力呈線性關系，當推力增加時，鉆速隨之增加的很小，而比功卻很大，此時加大推力鉆頭并不能正常切削巖石而處于研磨狀態。在阻塞區內鉆速增長率隨著推進力的增加而下降，而消耗的比功則隨著推力的增加而上升很快，顯然在阻塞區內也無法正常切削。在研磨切削過渡區，推力與鉆速是非線性關系，鉆速隨推力增加而增加，雖然比功增加不大，但是卻不是想要的效果。在鉆削區，鉆速與推力呈線性關系，鉆速快而比功最小，這樣才是切削破巖的最佳區域。

從鉆頭的結構看：鉆頭的推力等于每一鉆翼推力的2倍，即：

1.比功與推力關系；2.鉆速與推力關系；A.第Ⅲ區的最高點

圖2 推力與鉆速和比功關系

3.6 一次成孔深度

對于不同硬度及不同斷面的巷道，要求錨桿孔的安裝深度也不同，錨桿鉆機一次成孔深度要盡量符合錨桿安裝孔深度要求，這樣換接鉆桿的時間就可以大大減少，這里要求錨桿鉆機的一次成孔深度為

1.4 m。

4 結語

根據巷道支護的工藝要求，分析確定了機載錨桿機的總體性能參數，為結構設計提供理論支持。

參考文獻

[1] 宋寶新.機載錨桿鉆結構設計與多體動力學分析[D].阜新：遼寧工程技術大學，2011.

[2] 徐鎖庚.國內外掘錨機組的現狀及發展趨勢[J].煤礦機械，2006，27（10）：3-6.

[3] 李欽彬，鄂宇，周明.機載式側幫錨桿機的設計研究[J].煤礦機械，2010（7）：16-17.

[4] 牛寶生.采掘錨、掘錨一體化快速掘進成巷技術[J].煤炭工程，2003（11）：9-13.

[5] 陳洪月.掘進機機載鉆孔機械手力學特性研究[D].阜新：遼寧工程技術大學，2012.

[8] 趙學雷，孟國營，李衛濤.煤巷掘錨一體自動化快速掘進關鍵技術研究與實踐[J].煤礦機械，2010，31（12）：183-186.